JP5677875B2 - Non-contact power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、非接触データ通信手段および磁気共振を利用した非接触電力伝送手段、装置とそれらの送受を行なうアンテナに関するものであり、非接触ICカードやバッテリを搭載した携帯機器への非接触による充電装置に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a non-contact data communication means, a non-contact power transmission means utilizing magnetic resonance, a device, and an antenna for transmitting and receiving them, and by non-contact to a portable device equipped with a non-contact IC card or a battery. The present invention relates to a technology that is effective when applied to a charging device.
本発明者が検討した技術として、非接触充電システムの従来技術に関しては、たとえば一例として図24に示すような構成のものが考えられる。 As a technique studied by the present inventor, for example, a conventional structure of a non-contact charging system may be configured as shown in FIG.
図24は非接触による充電システムの従来技術の一例を示すブロック図であり、図のシステムは、鉄道の駅や店舗などの電力提供者側に設けられる送電装置701と、利用者が持っている携帯端末装置702とを含んで構成されている。本システムでは、携帯端末装置702が送電装置701により充電される。
FIG. 24 is a block diagram showing an example of the prior art of a non-contact charging system. The system shown in FIG. 24 has a
送電装置701は、RFIDリーダなどの非接触型処理モジュール713と、非接触型送電モジュール712と、送電制御モジュール711とを含んで構成されている。
The
携帯端末装置702は、RFID等の非接触型処理動作のための非接触型処理モジュール723と、充電のための非接触型受電モジュール722と、充電の判断と制御を行なう受電制御モジュール721と、高速に充電可能な大容量蓄電モジュール720とを含んで構成されている。
The
図において、携帯端末702を所有している利用者が、駅や店舗などに設置された送電装置701に搭載されている非接触型処理モジュール713と携帯端末702に搭載されている非接触型処理モジュール723の間で電子決済等を行なうためにデータ伝送を行なっている際に、送電装置701に搭載されている非接触型送電モジュール712より端末側の非接触型送電モジュール722に非接触により電力を送電するとともに、非接触型送電モジュール722では、受電した電力を整流して高速大容量蓄電モジュール720に充電を行なう構成であり、図の送電制御モジュール711と受電制御モジュール721では、これらモジュール間での非接触による送電の制御を行なうとともに、高速大容量蓄電モジュール720に充電を行なう充電の制御を行なっている。
In the figure, a user who owns a
以上の構成では、非接触型処理モジュール713、723間で通信を行なっている間に携帯端末装置702の電源の充電を行なう構成であるため、携帯端末装置702の充電時間が減らせる上に、頻繁に非接触型処理モジュール713、723間で通信を行なえば、特に携帯端末装置702を充電しなくとも継続的に端末の利用が可能となる(たとえば、特許文献1参照)。
In the above configuration, since the power of the
さらに図24で示した非接触による通信や充電のための送電では、数cm以下の比較的近距離での非接触通信や非接触送電には、電磁誘導方式や磁気共鳴方式など磁気的な結合による伝送が一般的である。これは他の伝送方式として有力と考えられる電波による伝送方式は伝送の距離rに反比例するのに対し、電磁結合による伝送の強さは、伝送距離rの2乗に反比例するため、例えば伝送距離が1mよりも小さくなった場合、1/rよりも1/(r2)の項のほうが大きくなるためである。 Furthermore, in the non-contact communication and the power transmission for charging shown in FIG. 24, the non-contact communication and the non-contact power transmission at a relatively short distance of several centimeters or less have a magnetic coupling such as an electromagnetic induction method and a magnetic resonance method. Transmission by is common. This is because the transmission method using radio waves, which is considered to be dominant as another transmission method, is inversely proportional to the transmission distance r, while the strength of transmission by electromagnetic coupling is inversely proportional to the square of the transmission distance r. This is because the term 1 / (r2) becomes larger than 1 / r when 1 becomes smaller than 1 m.
このため、非接触による通信や充電のための送電に用いられる周波数は100kHz帯から10数MHz程度の周波数が用いられ、これらの送受に用いられるアンテナとしては、磁気的な結合を強くするため、図25に示すように、数ターンから数十ターンのコイル状のアンテナを用いるのが一般的であり、図24で示した携帯端末に用いられる非接触通信や非接触による送電のような直径4cm程度のコイル状のアンテナが用いられている(たとえば、非特許文献1参照)。 For this reason, the frequency used for power transmission for non-contact communication or charging is a frequency of about 100 MHz from the 100 kHz band, and as an antenna used for these transmission and reception, in order to strengthen the magnetic coupling, As shown in FIG. 25, it is common to use a coil-shaped antenna of several to several tens of turns, and the diameter is 4 cm as in the non-contact communication and non-contact power transmission used in the portable terminal shown in FIG. A coil-shaped antenna of a degree is used (for example, see Non-Patent Document 1).
本発明者が検討したその他の技術として、非特許文献2および特許文献2に記載されたものが知られている。この非接触電力伝送システムに関しては、たとえば一例として図26に示すような構成のものが考えられる。
As other techniques studied by the present inventors, those described in
図26は非接触による電力伝送システムの従来技術の一例を示す構成図であり、非接触電力伝送システム730は高周波電源731と、高周波電源731に可変インピーダンス回路737を介して接続された給電コイル732と共鳴コイル733により1次側コイルを構成し、共鳴コイル734と負荷コイル735により2次側コイルを構成し、負荷コイル735に接続された負荷736を備えている。
FIG. 26 is a block diagram showing an example of a conventional technology of a non-contact power transmission system. The non-contact
さらに、共鳴コイル733、734にはそれぞれ共鳴容量738、739が接続されており、給電コイル732、共鳴コイル733,734、負荷コイル735は共鳴系740を構成する。また、高周波電源731の出力周波数には、共鳴系740の共鳴周波数に設定されている。
Further,
インピーダンス可変回路737は、2つの可変容量741、742とインダクタ743から構成されている。一方の可変容量741は高周波電源731に並列に接続され、他方の容量742は給電コイル732に並列に接続されている。インダクタ743は両可変容量741、742の間に接続されている。インピーダンス可変回路737は、可変容量741、742の容量が変換されることでそのインピーダンスが変更される。このインピーダンス可変回路737は共鳴系740の共鳴周波数における入力インピーダンスと高周波電源731側のインピーダンスが合うようにインピーダンスが調整される。可変容量741,742は回転軸がモータにより駆動することで容量を可変する公知の構成で、モータが制御装置744からの駆動信号により駆動される構成となっている。
The impedance
高周波電源731からインピーダンス可変回路737を介して給電コイル732に、共鳴系740の周波数で高周波電圧が出力され、給電コイル732に磁場が発生する。この磁場が共鳴コイル733、734による磁場共鳴により増強される。増強された共鳴コイル734付近の磁場から負荷コイル735により電磁誘導を利用して電力を取り出し負荷736に供給される。
A high frequency voltage is output from the high
このとき、共鳴コイル733、734のコイル間距離が変化すると、共鳴系740の入力インピーダンスも変化する。このため、インピーダンス可変回路737がない場合、共鳴コイル733、734のコイル間距離によっては、インピーダンス整合が取れずに、高周波電源731への反射電力が生じ伝送効率が低下する。また別の見方をすると、コイル間距離により磁気共鳴現象が発生する周波数が変動するため、高周波電源731の出力周波数に対し、磁気共鳴周波数がずれると伝送損失が大きくなる。このため、高周波電源の周波数を伝送損失が最も小さくなる周波数にコイル間距離に対応して調整すればよいが送信周波数を変えると他の通信機器へ影響を与える恐れがあることから一般的ではない。このため、コイル間距離が変動して共鳴系740の入力インピーダンスが変動した場合は制御装置744により、可変容量741、742を調整してインピーダンス整合を取るようにしている。
At this time, when the inter-coil distance of the
ところで、上記図24で示した従来技術の充電システムでは、非接触通信と非接触による送電を個々に用いられているため、それぞれ、直径4cm程度のコイル状のアンテナが必要となる。このため、特に小型化の要求が高い携帯端末に図24で示したような充電システムを搭載しようとした場合、上述のコイル状のアンテナを2素子内蔵する必要があるため、携帯端末装置の小型化が難しいという課題を有していた。 By the way, in the charging system of the prior art shown in FIG. 24, since non-contact communication and non-contact power transmission are used individually, a coiled antenna having a diameter of about 4 cm is required. For this reason, when it is intended to mount the charging system as shown in FIG. 24 on a portable terminal that is particularly demanded for miniaturization, it is necessary to incorporate the above-described coiled antenna, so that the portable terminal device is small. It had the problem that it was difficult to make it.
さらに、上記図24で示した従来技術の充電システムでは、非接触による送電では、非接触部の伝送損失が大きいと送電装置の効率が低下し消費電力が増えることから、近距離(数cm以下)で比較的高い効率が得られる電磁誘導方式が一般的であるが、逆に伝送距離がある程度大きくなると(例として1〜2cm程度)伝送効率が急激に劣化するため、携帯端末装置に従来技術の受電装置を搭載しようとした場合、受電装置のアンテナを携帯端末装置の表面に貼り付けるようにするなどして充電の際に送電装置と受電装置間の伝送距離が短くなるようにする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題があった。 Further, in the conventional charging system shown in FIG. 24, in non-contact power transmission, if the transmission loss of the non-contact portion is large, the efficiency of the power transmission device is reduced and the power consumption is increased. However, when the transmission distance is increased to some extent (for example, about 1 to 2 cm), the transmission efficiency is rapidly deteriorated. When the power receiving device is to be mounted, it is necessary to shorten the transmission distance between the power transmitting device and the power receiving device during charging by, for example, attaching the antenna of the power receiving device to the surface of the mobile terminal device. Therefore, there is a problem that the mounting position is limited.
さらに、携帯端末装置の通信周波数は800MHz帯や2GHz帯の比較的高い周波数であり、この通信に用いられるアンテナは小型化が進んでおり、通信端末に内蔵するのが可能となっている。しかし、上述の非接触通信や非接触による送電を受電するアンテナを携帯端末に内蔵した場合、内蔵された携帯端末装置の通信アンテナからの電波は、非接触通信や非接触による送電を行なう周波数よりも数百倍程度高いため、非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナは金属板のようにしか見えない。このため非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題を有していた。 Furthermore, the communication frequency of the portable terminal device is a relatively high frequency in the 800 MHz band and the 2 GHz band, and the antenna used for this communication has been miniaturized and can be built in the communication terminal. However, when an antenna for receiving the above-mentioned contactless communication or power transmission by contactless is built in the mobile terminal, the radio wave from the communication antenna of the built-in mobile terminal device is from the frequency at which the power is transmitted by contactless communication or contactless power transmission. However, the antenna that receives power by non-contact communication or non-contact looks only like a metal plate. For this reason, since reflection occurs in the antenna unit that performs non-contact communication or non-contact power reception, the reception sensitivity of the mobile terminal device is affected.
また、上記図26で示した従来技術の非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動により共鳴系の入力インピーダンスが変動することで1次コイル側と2次コイル側の間の周波数特性が変わり伝送効率が劣化する現象は、可変インピーダンス回路の可変容量を調整することにより、高周波電源と共鳴系のインピーダンス整合を図る構成で改善しているが、数W以上の電力を伝送する場合、可変容量に可変容量ダイオード等の半導体を用いることは電力容量や耐圧の問題から難しい。このため、バリアブルコンデンサ等の機械式の可変容量を用いる必要があるので、送電器の小型化が図れない。また、可変容量が機械式であるため耐久性の面で課題がある。 In the non-contact power transmission system of the prior art shown in FIG. 26, the resonance system input impedance fluctuates due to the fluctuation of the inter-coil distance of the magnetic resonance coil, so that the primary coil side and the secondary coil side are changed. The phenomenon of transmission efficiency degradation due to the change in the frequency characteristics of the power supply is improved by adjusting the variable capacitance of the variable impedance circuit to achieve impedance matching between the high frequency power supply and the resonance system. In this case, it is difficult to use a semiconductor such as a variable capacitance diode for the variable capacitance due to problems of power capacity and breakdown voltage. For this reason, since it is necessary to use a mechanical variable capacitor such as a variable capacitor, the size of the power transmitter cannot be reduced. Moreover, since the variable capacity is mechanical, there is a problem in terms of durability.
さらに、上記図26で示した非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数mm程度のごく近い距離での伝送では、磁気共鳴コイル間の磁場共鳴による伝送に対し、電磁誘導による伝送の割合が増えることが影響し、コイルをより近くするとかえって伝送効率が低下してしまうという課題を有していた。 Furthermore, in the non-contact power transmission system shown in FIG. 26 described above, in the transmission at a very short distance of about several millimeters between the magnetic resonance coils, electromagnetic induction is different from transmission by magnetic field resonance between the magnetic resonance coils. As a result, an increase in the rate of transmission caused by the transmission caused an effect that transmission efficiency would be lowered if the coil was made closer.
本発明は上記目的を達成するため、上記課題である非接触通信と非接触による送電を受電するアンテナを搭載しようとした場合に携帯端末装置の小型化が難しいという課題は、非接触通信用アンテナと非接触による送電を受電するアンテナを共用化するとともに、共用化したアンテナの受信出力部に切り替え回路を設けることにより、共用化したアンテナが送電装置からの送電電力を受電した場合、切り替え回路を充電側に切り替え、この切り替え回路を介して整流回路において受電信号が整流されバッテリに充電される構成とし、非接触通信信号を受信した場合、切り替え回路はそのまま非接触通信側を保持することで、非接触通信が可能となる。 In order to achieve the above object, the present invention has a problem that it is difficult to reduce the size of a portable terminal device when an antenna for receiving non-contact communication and non-contact power transmission, which is the above problem, is mounted. If the shared antenna receives the transmitted power from the power transmission device by sharing the antenna that receives power without contact with the antenna and providing a switching circuit in the reception output section of the shared antenna, the switching circuit Switching to the charging side, the power reception signal is rectified in the rectifier circuit via this switching circuit and the battery is charged, and when the non-contact communication signal is received, the switching circuit holds the non-contact communication side as it is, Non-contact communication is possible.
次に、充電を行なう場合、効率が劣化しないように送電装置と受電装置間の伝送距離を短くする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題については、送電装置において送電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルに送電電力を磁気的に結合して給電する給電コイルからなる磁気共鳴方式と呼ばれる方式とし、給電コイルより送電装置からの送電電力を給電するとともに、非接触通信信号も送電信号に重畳して送信する構成とした。 Next, when charging, it is necessary to shorten the transmission distance between the power transmission device and the power reception device so that the efficiency does not deteriorate, so the problem that the mounting position is limited is used for power transmission in the power transmission device. A magnetic resonance system comprising a resonance coil having a coil length that resonates at a frequency used for power transmission as an antenna, and a feeding coil that magnetically couples transmission power to the resonance coil to feed power In this configuration, the transmission power from the power transmission device is supplied from the power supply coil, and the non-contact communication signal is also transmitted superimposed on the power transmission signal.
同様に受電装置においても受電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する送電側と等しい長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルで受電した受電電力を磁気的に結合した負荷コイルから受電電力を取り出す磁気共鳴方式とした。 Similarly, in the power receiving device, as the antenna used for power reception, the power received by the resonance coil and the resonance coil having both ends of the coil having the same length as the power transmission side resonating with the frequency used for power transmission and the resonance coil are used. A magnetic resonance method was adopted in which received power was extracted from a magnetically coupled load coil.
以上の構成とすることにより、送電側の共振コイルと受信側の共振コイルの共振周波数が等しいことにより、送電側の共振コイルに流れる電流による磁束と受信側の共振コイルに流れる電流による磁束の位相が同相になることにより、これら共振コイル間は強く結合する。この現象は磁気共鳴現象とよばれ、従来の非接触伝送に主に用いられている電磁誘導方式よりもコイル間距離が離れていても効率の低下が少ないという特長を有しているため、送電装置と受電装置間距離が多少離れていても伝送効率の低下が少ないので、携帯端末装置に受電装置を搭載する場合、受電アンテナの搭載位置の制約がより少ない構成とすることができる。 With the above configuration, the resonance frequency of the resonance coil on the power transmission side and the resonance coil on the reception side are equal, so that the magnetic flux caused by the current flowing through the resonance coil on the power transmission side and the phase of the magnetic flux caused by the current flowing through the resonance coil on the reception side. Are in phase, the resonance coils are strongly coupled. This phenomenon is called a magnetic resonance phenomenon, and has the feature that there is less decrease in efficiency even when the distance between the coils is longer than the electromagnetic induction method mainly used for conventional non-contact transmission. Even when the distance between the device and the power receiving device is slightly separated, the transmission efficiency is hardly lowered. Therefore, when the power receiving device is mounted on the portable terminal device, the configuration of the mounting position of the power receiving antenna can be reduced.
非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題については、上記の搭載位置が限られてしまうという課題と同様に、送電と受電用アンテナに磁気共鳴方式を用いるとともに、受電側のアンテナの共振コイルを削除する構成とした。 Since reflection occurs in the antenna unit that performs non-contact communication and power reception by non-contact, the problem of affecting the reception sensitivity of the mobile terminal device is similar to the problem that the mounting position is limited as described above. A magnetic resonance method is used for the power receiving antenna, and the resonance coil of the power receiving antenna is deleted.
この構成では、送電側が磁気共鳴方式、受電側が電磁誘導方式となるがコイル間の伝送距離は受信側が磁気共鳴方式の場合とほぼ同等の伝送距離が得られる構成となっている。 In this configuration, the power transmission side is the magnetic resonance system and the power reception side is the electromagnetic induction system, but the transmission distance between the coils is such that a transmission distance substantially equal to that when the reception side is the magnetic resonance system is obtained.
以上の構成とすることにより、受電側のアンテナは、負荷コイルのみとなるため、直径3cm程度の1〜数ターンのループ状コイルのみとなり、従来の数十ターンの密に巻かれたコイルに比べ、携帯端末装置の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、通信アンテナへの影響をより小さくすることができる。 With the above configuration, the power receiving side antenna is only a load coil, so it is only a looped coil of about 1 to several turns with a diameter of about 3 cm, compared with a conventional coil of several tens of turns densely wound. Since the reflection of the radio wave used for communication of the mobile terminal device is reduced, the influence on the communication antenna can be further reduced.
以上は電力伝送周波数と非接触通信が同じ周波数であったが周波数が異なる場合のアンテナを共用化する手段を以下説明する。 The means for sharing the antenna when the power transmission frequency and the non-contact communication are the same frequency but different from each other will be described below.
一般的に磁気共鳴方式による伝送では、共振コイルに給電する給電コイルや共振コイルから受信した電力を取り出す負荷コイルに比べ、共振コイルの巻き数のほうが多く、インダクタンス値も大きい。 In general, in the transmission by the magnetic resonance method, the number of turns of the resonance coil is larger and the inductance value is larger than a power supply coil that supplies power to the resonance coil and a load coil that extracts power received from the resonance coil.
非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合、上記受信側共振コイルと並列に第1の容量を接続するとともに、第2の容量を第1のフィルタ回路を介し直列あるいは並列に接続した後、低い周波数のほうの信号を取り出す構成とするとともに、共振コイルと磁気的に結合するように負荷コイルを受電コイルに近接して設け、負荷コイルに第2のフィルタ回路を介し高い周波数のほうの信号を取り出す構成とし、第1の容量が共振コイルと高い周波数のほうの信号で共振する値とし、第2の容量が共振コイルと低い周波数のほうの信号で共振する値とし、さらに、第1のフィルタ回路は低い周波数のほうの信号を通過させ、高い周波数のほうの信号の通過を阻止し、第2のフィルタ回路は高い周波数のほうの信号を通過させ、低い周波数のほうの信号の通過を阻止する構成とした。 When the frequency of non-contact communication and the frequency of non-contact power transmission are different, the first capacitor is connected in parallel with the receiving-side resonance coil, and the second capacitor is connected in series or in parallel via the first filter circuit. After connecting, the low frequency signal is extracted, and a load coil is provided close to the power receiving coil so as to be magnetically coupled to the resonance coil, and a high frequency is provided to the load coil via the second filter circuit. The first capacitor has a value that resonates with a signal having a higher frequency than the resonance coil, the second capacitor has a value that resonates with a signal having a lower frequency with the resonance coil, and The first filter circuit passes the lower frequency signal and blocks the higher frequency signal, and the second filter circuit passes the higher frequency signal. And configured to prevent the passage of signals towards the lower frequencies.
以上の構成とすることにより、共振コイルからは共振コイルと第2の容量により共振する低い周波数のほうの信号を出力することが出来るととともに、負荷コイルからは、共振コイルと第1の容量で共振する高い周波数のほうの信号を図26で示した従来技術と同様に磁気共鳴方式により出力することが出来る。 With the above configuration, the resonance coil can output a signal having a lower frequency that resonates with the resonance coil and the second capacitor, and the load coil can output with the resonance coil and the first capacitor. The resonating high frequency signal can be output by the magnetic resonance method as in the prior art shown in FIG.
ここで、従来の電磁誘導方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさの一例としては、携帯機器等への充電等に用いられる5W程度以下であれば、直径数cmで数10ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数kWクラスでは、直径数10cmで数10ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数10kHzから数100kHzであり、伝送距離としては数cm以下が一般的である。また、磁気共鳴方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさとしては、携帯機器等への充電等に用いられる5W程度以下であれば、直径数cmで数10ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数kWクラスでは、直径数10cmで数ターンから数10ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数MHzから10数MHzであり、共振コイルに電力を給電する給電コイルおよび共振コイルから電力を取り出す負荷コイルの巻き数は1ターン程度である。また、磁気共鳴方式の伝送距離は数cmから数10cm程度であり、給電コイルと共振コイルおよび共振コイルと負荷コイル間の距離としては1cm以下程度が一般的である。 Here, as an example of the size of the coil used in the non-contact power transmission by the conventional electromagnetic induction method, if it is about 5 W or less used for charging a portable device or the like, it is several tens of centimeters in diameter. The number of turns is about several turns, and in the several kW class used for charging an electric vehicle or the like, the number of turns is about several tens of turns with a diameter of several tens of centimeters. The frequency used is several tens of kHz to several hundreds of kHz, and the transmission distance Is generally several cm or less. In addition, the size of the coil used for non-contact power transmission by the magnetic resonance method is about several tens of turns with a diameter of several centimeters as long as it is about 5 W or less used for charging a portable device or the like. In the several kW class used for charging an electric vehicle or the like, the diameter is several tens of centimeters and the number of turns is from several turns to several tens of turns. The frequency used is from several MHz to several tens of MHz. The number of turns of the power supply coil that supplies power and the load coil that extracts power from the resonance coil is about one turn. In addition, the transmission distance of the magnetic resonance method is about several centimeters to several tens of centimeters, and the distance between the feeding coil and the resonant coil and between the resonant coil and the load coil is generally about 1 cm or less.
次に磁気共鳴コイル(共振コイル)のコイル間距離の変動による共鳴系の入力インピーダンスの変動を可変インピーダンス回路により調整した場合、送信側の回路も大きくなってしまうという課題については、上述の受信側のコイルが搭載機器と比較して大きくなってしまうという課題と同様に負荷コイルに少なくとも直列接続か並列接続により負荷コイルのインダクタンスと共振する共振容量を付加する構成とした。 Next, if the variable impedance circuit is used to adjust the fluctuation of the input impedance of the resonance system due to the fluctuation of the inter-coil distance of the magnetic resonance coil (resonance coil), Similar to the problem that the coil becomes larger than the mounted device, the load coil is configured to add a resonance capacitance that resonates with the inductance of the load coil by at least series connection or parallel connection.
以上の構成とすることにより、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による1次コイルと2次コイル間の周波数特性の変動が小さくなる(コイル間距離の変動による入力のインピーダンス変動が小さくなる)という結果が実験的に得られていることから、可変インピーダンス回路を用いなくても、コイル間距離の変動による1次コイルと2次コイル間の周波数特性の変動を小さく抑えることができるので、送信回路についても小型化が可能となる。 By adopting the above configuration, the fluctuation of the frequency characteristic between the primary coil and the secondary coil due to the fluctuation of the inter-coil distance of the magnetic resonance coil is reduced (the input impedance fluctuation due to the fluctuation of the inter-coil distance is reduced). Since the result has been experimentally obtained, it is possible to suppress the fluctuation of the frequency characteristic between the primary coil and the secondary coil due to the fluctuation of the inter-coil distance without using the variable impedance circuit. The size can also be reduced.
さらに、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による1次コイルと2次コイル間の周波数特性の変動を小さくする手段としては、1次コイル側の共鳴コイルを複数設け、それぞれのコイルが負荷コイルとの距離に対応して最も伝送効率が良くなるような巻き数とすることで、1次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離に対応して最も効率のよい共鳴コイルと主に伝送が可能となるため、上記手段によってもコイル間距離の変動による1次コイルと2次コイル間の周波数特性の変動を小さくすることが可能となる。 Furthermore, as means for reducing the fluctuation of the frequency characteristic between the primary coil and the secondary coil due to the fluctuation of the inter-coil distance of the magnetic resonance coil, a plurality of resonance coils on the primary coil side are provided, and each coil is a load coil. By making the number of turns so that the transmission efficiency is the best corresponding to the distance, it is possible to mainly transmit with the most efficient resonance coil corresponding to the distance between the primary side resonance coil and the load coil. Therefore, also by the above means, it is possible to reduce the fluctuation of the frequency characteristic between the primary coil and the secondary coil due to the fluctuation of the inter-coil distance.
また、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数mm程度のごく近い距離で伝送効率が低下してしまうという課題については、給電コイルと1次側の磁気共鳴コイルのコイルの配置構成を入れ替え、1次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離よりも給電コイルと負荷コイル間の距離が近くなるようにした。これにより、1次コイルと2次コイルが数mm程度の磁気共鳴伝送では伝送効率が劣化する、ごく近距離伝送の場合でも伝送効率の低下を抑えることができる。これは、ごく近距離では、給電コイルと負荷コイルが距離的に近くなることで、給電コイルから負荷コイルに直接電磁誘導により電力が伝送できるためである。 Further, regarding the problem that the transmission efficiency is lowered at a distance as short as several mm between the coils of the magnetic resonance coil, the arrangement of the feeding coil and the coil of the primary magnetic resonance coil is exchanged, and the primary The distance between the feeding coil and the load coil was made closer than the distance between the resonance coil on the side and the load coil. As a result, the transmission efficiency is deteriorated in magnetic resonance transmission in which the primary coil and the secondary coil are about several mm, and a decrease in transmission efficiency can be suppressed even in the case of very short distance transmission. This is because at a very short distance, the power feeding coil and the load coil are close to each other in distance, so that power can be transmitted directly from the power feeding coil to the load coil by electromagnetic induction.
さらに、非接触電力伝送システムでは、非接触充電に対応しているか確認するための機器の認証や送信電力量の制御等を行うための通信手段として、送信側は送電電力の信号にASK(Amplitude Shift Keying)変調方式等の変調をかけるとともに、受信側では内部に電力を持たなくても受電した信号を利用して通信が可能である負荷変調方式を用いる構成とすることにより、比較的簡易に通信が可能となる非接触電力伝送システムを得ることができる。 Further, in the non-contact power transmission system, as a communication means for performing device authentication for confirming whether or not non-contact charging is supported, control of the transmission power amount, and the like, the transmission side transmits ASK (Amplitude) to the signal of the transmission power. (Shift Keying) Modulation such as a modulation method is applied, and a configuration using a load modulation method that enables communication using a received signal without power on the receiving side is relatively simple. A non-contact power transmission system capable of communication can be obtained.
本発明により、非接触通信手段とバッテリへの充電を行なうための非接触による受電装置を携帯端末装置等に搭載した場合でも、これらを搭載したことによる端末の大型化を極力抑えられるとともに、非接触通信や非接触による受電を行なう場合、磁気共鳴方式を用いることにより、伝送距離が大きくなってもアンテナ間の伝送損失が少なく、携帯端末装置等の通信感度への影響が少ない非接触電力伝送システム、受電装置、及び送電装置を得ることができる。 According to the present invention, even when a non-contact power receiving device for charging a battery with a non-contact communication means is mounted on a portable terminal device or the like, it is possible to suppress the enlargement of the terminal by mounting these as much as possible and When using contact communication or non-contact power reception, contactless power transmission with less transmission loss between antennas and less impact on communication sensitivity of mobile terminal devices, etc., even when the transmission distance is increased by using magnetic resonance. A system, a power receiving device, and a power transmitting device can be obtained.
本発明の非接触による充電システムの第1の実施例を図面によって説明する。 A first embodiment of a non-contact charging system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に使用される非接触による充電システムを有した第1の実施例を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment having a non-contact charging system used in the present invention.
図において、702は携帯端末装置、140は電力を非接触で送電を行なう送電装置、150は非接触通信装置であり、図の携帯端末装置702は、磁気共鳴コイル101、負荷コイル102、切り替えスイッチ110、整流用ダイオード121、122、123、124、125、126、127、128、平滑用容量130、131、非接触データ通信部103、充電制御部104、バッテリ105、端末無線通信部106、検知出力部107より構成され、さらに、切り替えスイッチ110には減衰抵抗111、112が付加されている。また、図の送電装置140は、磁気共鳴コイル141、給電コイル142、増幅部143、発振器144、制御部145、検出部146より構成され、非接触通信装置150は電磁誘導コイル151、共振容量152、発振器153、非接触データ通信部154より構成されている。
In the figure,
図において、携帯端末装置702は、両端が接続されていない10数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル101に対し、数mm程度離れたところに負荷コイル102を設けるとともに、負荷コイル102の出力端には切り替えスイッチ110が接続される。さらに、切り替えスイッチ110の一方の出力が整流用ダイオード121〜124より構成される全波整流回路に入力され、整流出力は非接触データ通信部103に入力される。
In the figure, a mobile
また、切り替えスイッチ110の他の一方の出力は整流用ダイオード125〜128より構成される全波整流回路に入力され、整流出力が充電制御部104を介しバッテリ105に供給されている。
The other output of the
また、図の送電装置140は両端が接続されていない10数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル141に対し、数mm程度離れたところに給電コイル142を設けるとともに、給電コイル142の入力端には増幅器143を介し発振器144が接続される。
In addition, the power transmission device 140 shown in the figure is provided with a
さらに、図の非接触通信装置150は、十数ターン以上の電磁誘導コイル151のコイル端に共振容量152とともに発振器153が並列に接続されている。
Furthermore, in the
以上の充電システムにおいて、まずは、非接触通信装置150から携帯端末装置702に非接触により通信を行なう場合の動作について説明する。
In the above charging system, first, an operation in the case where communication is performed from the
非接触通信装置150にある発振器153では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数(例えばRFIDでは13.56MHz等)で発振するとともに、非接触データ通信部154において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号は、電磁誘導コイル151と共振用容量152の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
The
一方、携帯端末装置702では、磁気共鳴コイル101が、非接触通信信号に等しい周波数に共振するように調整されているため、非接触通信装置150からの放射によりコイル101に最も電流が流れることで、負荷コイル102の両端には高い電圧が励起され、この励起された電圧が、切り替えスイッチ110を介してそのまま整流用ダイオード121〜124で構成される整流回路に入力される。入力された非接触通信信号は、平滑用容量130により平滑化され直流電圧となり非接触データ通信部103へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部103において復調される。一方、非接触データ通信部103から、非接触通信装置150への通信は、磁気共鳴コイル101で受信した信号に対し、送信データに対応させて非接触データ通信部103の入力インピーダンスを変化させることで磁気共鳴コイル101から電磁誘導コイル151への反射量が変動することを非接触通信装置150が検出することにより、逆方向の通信を行なっている。
On the other hand, in the mobile
次に、送電装置140から携帯端末装置702に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
Next, an operation when power is transmitted from the power transmission device 140 to the mobile
送電装置140にある発振器144では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置150で用いられているRFID等と同じ13.56MHzで発振し、増幅部143において電力増幅し、給電コイル142により磁気共鳴コイル141を励振する。磁気共鳴コイル141は、送電周波数と等しい周波数で共振するように調整されているため、送電周波数で最も大きい電流が流れ強い磁界が発生する。
The
一方、携帯端末装置702では、磁気共鳴コイル101は送電周波数に等しい周波数で共振するため、送電信号で最も電流が流れ、負荷コイル102の両端には高い電圧が励起される。この励起された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部104は、切り替えスイッチ110を電力受電側に切り替えるので、受電した信号は、整流用ダイオード125〜128により構成される整流回路により整流され、平滑用容量131により直流電圧となり充電制御部104に供給される。充電制御部104では供給された直流電圧をバッテリ105に充電を行うとともに、過充電されない等によりバッテリ105が破損しないように充電量の制御を行う。
On the other hand, in the mobile
なお、携帯端末装置702の検知出力部107は特定の識別子を出力しており、携帯端末装置702が送電装置140に接近し、検出部146で検知出力部107からの識別子を検知すると制御部145は発振器144をオン状態にして送電を開始する。
The
さらに、送電装置140からの送電を行う場合、切り替えスイッチ110は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗111、112を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成とした。このような構成とすることで、送電信号に非接触通信信号を重畳した場合、受電と同時に非接触通信も可能となる。ここで、減衰抵抗により受電信号レベルを下げるのは、非接触通信信号に比べ、送電信号のほうがレベルがかなり高いためである。
Further, when power transmission from the power transmission device 140 is performed, the
以上の構成とすることにより、送電装置140と携帯端末装置702間の伝送は、磁気共鳴方式による結合のため、従来の電磁誘導方式に比べ、伝送距離が長くなっても損失が少ない充電システムを得ることができ、さらに、非接触通信と非接触による電力の伝送に用いるアンテナを共用化することで、これらを搭載した場合に伴なう携帯端末装置702の実装容積の増加を極力抑えることが可能となる。
With the above configuration, the transmission between the power transmission device 140 and the mobile
図2は本発明に使用される非接触による充電システムの第2の実施例を示した図である。 FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the non-contact charging system used in the present invention.
図は、図1で示した第1の実施例と比較して携帯端末装置702に電磁誘導方式のコイル、送電装置220に磁気共鳴方式のコイルを用いたものである。なお、図は、通信装置と送電装置を一体化した送電装置220を用いているが、これに限定するものではない。図1のように、通信装置と送電装置が別体になっている場合にも、携帯端末装置に電磁誘導方式のコイル、送電装置に磁気共鳴方式のコイルを用いても良い。
Compared with the first embodiment shown in FIG. 1, the figure uses an electromagnetic induction type coil for the portable
図において、201は2〜3ターン程度のループアンテナコイル、202、203はループアンテナコイル201と送信信号周波数で共振する共振容量、220は非接触通信手段を兼ねた非接触による電力送電装置であり、非接触通信手段を備えた送電装置220は、非接触データ通信部221を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
In the figure, 201 is a loop antenna coil of about 2 to 3 turns, 202 and 203 are resonance capacitors that resonate with the
送電装置220は、携帯端末装置702と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部221は発振器144の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部143により増幅し、給電コイル142と磁気共鳴コイル141より構成される送電アンテナにより送信する。
When the
送電装置から送信された信号は、携帯端末装置702のループアンテナコイル201により受信され、切り替えスイッチ110を介し共振容量202の容量値と共振することで、整流用ダイオード121〜124により構成される整流回路に送信周波数において最も高い電圧信号が加わる。そして整流回路より出力された非接触通信信号は、平滑用容量130により平滑化され直流電圧となり、非接触通信部103へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部103において復調される。
The signal transmitted from the power transmission device is received by the
次に、送電装置220から携帯端末装置702に送電を行なう場合の動作について説明する。
Next, an operation when power is transmitted from the
送電装置220にある発振器144の信号を増幅部143において電力増幅し、給電コイル142により磁気共鳴コイル141を励振することで、磁気共鳴コイル141より送電信号が出力される。
A power transmission signal is output from the
送電された信号は、携帯端末装置702のループアンテナコイル201により受電されるが、この受電された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部104は、切り替えスイッチ110を電力受電側に切り替えるので、切り替えスイッチ110を介し共振容量203の容量値と共振することで、整流用ダイオード125〜128により構成される整流回路で送電周波数において最も高い電圧となるとともに、受電した信号は、平滑用容量131により直流電圧となり充電制御部104に供給される。充電制御部104では供給された直流電圧をバッテリ105に充電を行なうとともに、過充電等によりバッテリ105が破損しないように充電量の制御を行なう。
The transmitted signal is received by the
さらに、送電装置220からの送電を行う場合、切り替えスイッチ110は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗111、112を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成のため、送電信号に非接触通信信号を重畳することにより、受電と同時に非接触通信も可能となる。
Furthermore, when performing power transmission from the
以上の構成とすることにより、第1の実施例と同様の効果が得られる上に、受電用アンテナとして、2〜3ターン程度のループアンテナコイルを用いることができることで、携帯端末装置702をより小型にすることができる。
With the above configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and a loop antenna coil of about 2 to 3 turns can be used as a power receiving antenna, so that the portable
さらに、受電用アンテナとして、2〜3ターン程度のループアンテナコイルを用いることにより、端末無線通信部106の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、端末無線通信部106への影響をより小さくすることができる。
Furthermore, by using a loop antenna coil of about 2 to 3 turns as a power receiving antenna, reflection of radio waves used for communication of the terminal
図3は本発明に使用される非接触による充電システムの第3の実施例を示した図である。 FIG. 3 is a view showing a third embodiment of the non-contact charging system used in the present invention.
図において、301は共振容量、310は切り替えスイッチ、311は減衰抵抗、312、313、314、315は非接触通信と非接触による電力の受電とで共用化された整流用ダイオードであり、その他、図2に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。 In the figure, 301 is a resonance capacitor, 310 is a changeover switch, 311 is a damping resistor, 312, 313, 314, and 315 are rectifying diodes shared by non-contact communication and non-contact power reception. The parts corresponding to those in FIG.
送電装置220では、携帯端末装置702と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部221は発振器144の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部143により増幅し、給電コイル142と磁気共鳴コイル141より構成される送電アンテナにより送電される。
In the
この送信された信号は、携帯端末装置702のループアンテナコイル201と共振容量301により送信周波数信号で共振して最も大きな信号振幅で受信され、共用化された整流用ダイオード312〜315により整流される。このとき充電制御部104で整流された電圧がある一定値以上であると充電のための送電であると判断し、切り替えスイッチ310を充電側に切り替えるので、整流された電圧が平滑用容量131により平滑化され充電制御部104によりバッテリ105に充電のための直流電圧を供給する。
The transmitted signal is resonated with the transmission frequency signal by the
以上の実施例では、第2の実施例と同様の効果が得られる上に、非接触通信用と受電用の整流ダイオードを共用化することにより、携帯端末装置702をより小型にすることができる。
In the above embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and the portable
次に、本発明の実施例における効果を図4、図5および図6を参照して説明する。 Next, the effect in the Example of this invention is demonstrated with reference to FIG.4, FIG.5 and FIG.6.
図4は、図2の非接触による充電システムの第2の実施例で示したように、送信側を磁気共鳴方式、受信側をループ状のアンテナコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式としたときの伝送効率特性と、図25に示すように送受信側とも従来の電磁誘導方式を用いた場合のコイル間距離に対する伝送効率の実験結果を示したものであり、図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送効率である。 FIG. 4 shows a conventional electromagnetic induction in which the transmitting side is composed of a magnetic resonance system and the receiving side is composed of a loop-shaped antenna coil and a resonant capacitor as shown in the second embodiment of the non-contact charging system of FIG. 25 shows the transmission efficiency characteristics when the system is used, and the experimental results of the transmission efficiency with respect to the distance between the coils when the conventional electromagnetic induction system is used on both the transmitting and receiving sides as shown in FIG. The distance between the coils, the vertical axis is the transmission efficiency.
図2の送信側の磁気共鳴コイルの直径は4cmであり、巻き数は約30ターンで共鳴周波数は約20MHzであり、受信側は、直径3cmの約3ターンのループコイルと100pFの共振容量による直列共振型のループアンテナコイルとなっており、図25の電磁誘導方式の送受コイルの直径は4cm、巻き数は約20ターンで伝送周波数は約120kHzであり、共振容量は数μFである。 The diameter of the magnetic resonance coil on the transmission side in FIG. 2 is 4 cm, the number of turns is about 30 turns, the resonance frequency is about 20 MHz, and the reception side is based on a loop coil of about 3 turns with a diameter of 3 cm and a resonance capacity of 100 pF. This is a series resonance type loop antenna coil. The electromagnetic induction type transmission / reception coil shown in FIG. 25 has a diameter of 4 cm, a winding number of about 20 turns, a transmission frequency of about 120 kHz, and a resonance capacity of several μF.
図から図25の従来技術の電磁誘導方式ではコイル間距離が短い場合は伝送効率に優れるが、コイル間距離が4mm程度離れると効率は50%程度に落ちる。これに対し、第2の実施例ではコイル間距離が4mmでも効率は約75%が得られており、コイル間距離が離れても送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式による伝送のほうが、伝送効率の低下が少ないことが分かる。 The conventional electromagnetic induction system shown in FIG. 25 is excellent in transmission efficiency when the distance between the coils is short, but the efficiency drops to about 50% when the distance between the coils is about 4 mm away. On the other hand, in the second embodiment, even when the distance between the coils is 4 mm, the efficiency is about 75%. Even when the distance between the coils is far away, transmission is performed by the magnetic resonance method, and reception is performed by the electromagnetic induction method. It can be seen that there is little decrease in transmission efficiency.
また、図5は、図1で示した第1の実施例の非接触電力伝送方式として送信、受信とも磁気共鳴方式としたときのコイル間距離に対する伝送損失の周波数特性と、送信、受信とも2〜3ターン程度のループ状のコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式での伝送損失の周波数特性の実験結果を示したもので、図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。 FIG. 5 shows the frequency characteristics of transmission loss with respect to the distance between coils when the transmission and reception are both magnetic resonance systems as the non-contact power transmission system of the first embodiment shown in FIG. The experimental results of frequency characteristics of transmission loss in a conventional electromagnetic induction system composed of a loop coil of about 3 turns and a resonant capacitance are shown. The horizontal axis in the figure is the frequency and the vertical axis is the transmission loss. is there.
また、実験に用いたコイルとして、図1の磁気共鳴方式は、磁気共鳴コイルの直径は4cmであり、巻き数は約30ターンで共鳴周波数は約20MHzであり、給電コイルおよび負荷コイルとも直径は3cmで巻き数は1ターンである。一方、従来の電磁誘導方式のループアンテナコイルは、直径4cm、巻き数は約3ターンで伝送周波数は磁気共鳴方式と同じ約20MHzであり、共振容量は百数十pFである。 Further, as the coil used in the experiment, the magnetic resonance method of FIG. 1 has a magnetic resonance coil diameter of 4 cm, a winding number of about 30 turns, a resonance frequency of about 20 MHz, and both the power supply coil and the load coil have a diameter. The number of turns is 3 cm and 1 turn. On the other hand, a conventional electromagnetic induction type loop antenna coil has a diameter of 4 cm, a winding number of about 3 turns, a transmission frequency of about 20 MHz, which is the same as the magnetic resonance system, and a resonance capacity of a few tens of pF.
図から図1で示した第1の実施例の磁気共鳴方式を用いた電力伝送方式ではコイル間距離により周波数依存性があるが、従来の電磁誘導方式よりも伝送損失が少ないことが分かる。 From the figure, it can be seen that the power transmission method using the magnetic resonance method of the first embodiment shown in FIG. 1 has frequency dependency depending on the distance between the coils, but has a smaller transmission loss than the conventional electromagnetic induction method.
次に、図6は、図2で示した非接触による充電システムの第2の実施例で非接触通信手段として送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の2〜3ターン程度のループ状のアンテナと共振容量により構成される電磁誘導方式としたときのコイル間距離に対する周波数特性の実験結果を示したものである。実験に用いたコイルは、直径4cm、巻き数は約3ターンであり、共振容量は百数十pFである。 Next, FIG. 6 shows a second embodiment of the non-contact charging system shown in FIG. 2, in which the transmitting side is a magnetic resonance system as a non-contact communication means, and the receiving side is a loop of about 2 to 3 turns. The experimental result of the frequency characteristic with respect to the distance between coils when it is set as the electromagnetic induction system comprised with an antenna and a resonant capacity is shown. The coil used in the experiment has a diameter of 4 cm, the number of turns is about 3 turns, and the resonance capacity is a few hundreds of pF.
図5と図6を比較すると、図5で示した送受信とも磁気共鳴方式を用いるよりも、図2で示した第2の実施例のように、送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の磁界結合型ループアンテナにしたほうがコイル間距離に対する周波数特性変動が少ないことから、送信周波数を例えば13.56MHz等に固定した場合であってもコイル間距離によらず安定した受電電力を得ることができる。 Comparing FIG. 5 and FIG. 6, rather than using the magnetic resonance method for the transmission and reception shown in FIG. 5, the transmission side is the magnetic resonance method and the reception side is the conventional one as in the second embodiment shown in FIG. Since the magnetic field coupled loop antenna has less frequency characteristic fluctuation with respect to the distance between the coils, stable received power can be obtained regardless of the distance between the coils even when the transmission frequency is fixed at 13.56 MHz, for example. it can.
また、図7aには、本発明の非接触による充電システムの第1の実施例の磁気共鳴方式のコイルの構成を示した模式図であり、図7bは、図7aを伝送方向に対し真横から見た模式図であり、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。給電コイル142、磁気共鳴コイル141、101、負荷コイル102のコイル面は互いに平行に配置されており、コイルの中心点が一直線にある図7bの構成でz軸上でのコイル間距離を最適化すれば最もコイル間の伝送効率が高くなる構成であることから、実施の形態としては図7bの配置を基本に以下の実施の形態についても説明する。
FIG. 7a is a schematic diagram showing the configuration of the magnetic resonance type coil of the first embodiment of the non-contact charging system according to the present invention, and FIG. 7b shows FIG. FIG. 2 is a schematic diagram seen, and parts corresponding to those in FIG. The coil surfaces of the feeding
図8は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第4の実施例を示した図である。 FIG. 8 is a diagram showing a fourth embodiment of the non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、702は携帯端末装置、150は非接触通信装置、420は電磁誘導方式による送電装置より構成され、図の携帯端末装置702は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401、負荷コイル402、共鳴容量403、ローパスフィルタ404、共振容量405、整流回路406、電源回路407、負荷回路408、ハイパスフィルタ409、負荷変調回路410、検波、復調回路411、整流回路412、メモリ413、制御回路414を備えている。また、電磁誘導による送電装置420は、電磁誘導コイル421、共振容量422、電力増幅器423、発振器424、制御部425、検出部426を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
In the figure,
図において、携帯端末装置702は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と並列に共鳴容量403を接続するとともに、ローパスフィルタ404を介して共振容量405が並列に接続され、整流回路406、電源回路407、負荷回路408が接続される。
In the figure, a mobile
また、負荷コイル402は磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と数mm程度の距離に近接して配置し磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と磁気的に結合している。さらに、負荷コイル402はハイパスフィルタ409を介して負荷変調回路410、検波、復調回路411、整流回路412に接続される。
Further, the
また、電磁誘導方式による送電装置420は、電磁誘導コイル421と並列に共振容量422が接続され、電力増幅器423により増幅された発振回路424からの送電信号周波数と共振する構成となっている。
In addition, a
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置150から携帯端末装置702に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。
In the above non-contact power transmission system, first, an operation in the case of performing non-contact communication from the
非接触通信装置150にある発振器153では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数(例えばRFIDでは13.56MHz等)で発振するとともに、非接触データ通信部154および変復調回路430において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号を電磁誘導コイル151と共振容量152の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
The
一方、携帯端末装置702では、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と共鳴容量403での共振周波数が非接触通信周波数の13.56MHzとなるように調整されているため、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。この強い磁界により、磁気的に結合された負荷コイル402によりハイパスフィルタ409と負荷変調回路410を介し検波、復調回路411に入力され、受信した非接触信号を復調し制御回路414に入力する。制御回路414では受信信号に対応したデータをメモリ413より読み出して負荷変調回路410により負荷変調をかける。これに対し、非接触通信装置150では、負荷変調回路410からの負荷変調に対応して携帯端末装置702の受信インピーダンスが変動するのを変復調回路430により検出して復調し非接触データ通信部154に伝送する構成となっている。このとき、ローパスフィルタ404は受信した信号周波数に対しては通過を阻止するため、ローパスフィルタ404以降の回路は無視することが出来るとともに、ハイパスフィルタ409は受信した信号周波数に対しては通過特性であるため、ここでの損失は無視することができる。また、制御回路414およびメモリ413への電力の供給は非接触通信装置150から受信した信号を整流回路412により整流した電力を用いることでバッテリは不要であるし、また、携帯端末装置702に内蔵しているバッテリから供給してもよい。
On the other hand, in the portable
次に、電磁誘導方式による送電装置420から携帯端末装置702に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
Next, an operation in a case where power is transmitted from the
電磁誘導方式による送電装置420では、検出部426により携帯端末装置702が近くに置かれた場合を検出して制御部425により発振器424および電力増幅器423をオン状態とする。これにより、発振器424では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置150で用いられているRFID等の13.56MHzよりも低い、例えば100kHz帯の周波数で発振し、電力増幅器423において電力増幅して電磁誘導コイル421と共振容量422による共振回路に送電電力を供給する。電磁誘導コイル421と共振容量422は、供給された送電電力の周波数である100kHz帯で共振するため、電磁誘導コイル421には、大きな電流が流れ強い磁界が発生する。このとき、電磁誘導コイル421と接近して携帯端末装置702が置かれることにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と共振容量405による共振回路が送電電力の周波数と等しいため、電磁誘導コイル421と磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401は電磁誘導により強く結合するので、共振容量405から受電した100kHz帯の電力を取り出すことができる。このため、共振容量405に接続された整流回路406により直流電圧に整流され電源回路407により一定の電圧に変換された後、負荷回路408に受電した電力が供給される。このとき、ローパスフィルタ404は受電した電力の周波数に対し通過特性のため、ここでの損失は無視することができる。また、ハイパスフィルタ409は受電した電力の周波数に対し通過を阻止するため、負荷コイル402およびハイパスフィルタ409以降の回路の影響を無視することができる。
In the
また、電源回路407を充電制御回路、負荷回路408をバッテリに置き換えることで非接触充電システムを実現することができる。
Further, a contactless charging system can be realized by replacing the
以上の構成とすることにより、100kHz帯の受電電力には電磁誘導方式による非接触電力伝送を行い、13.56MHzの非接触通信では、受電に用いた電磁誘導コイルを磁気共鳴コイルとして用いることにより、図1で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合でも通信および受電が可能な充電(電力伝送)システムを得ることができる。 With the above configuration, non-contact power transmission by electromagnetic induction is performed on the received power in the 100 kHz band, and in non-contact communication at 13.56 MHz, the electromagnetic induction coil used for power reception is used as a magnetic resonance coil. In addition to the same effects as the non-contact charging (power transmission) system shown in FIG. 1, charging (power) that enables communication and power reception even when the frequency of non-contact communication differs from the frequency of non-contact power transmission. Transmission) system can be obtained.
図9は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第5の実施例を示した図である。 FIG. 9 is a diagram showing a fifth embodiment of the non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、441は負荷変調回路、442は検波、復調回路、443は制御回路、444は変復調部であり、その他、図8に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。 In the figure, 441 is a load modulation circuit, 442 is a detection and demodulation circuit, 443 is a control circuit, 444 is a modulation / demodulation unit, and other parts corresponding to those in FIG.
図9において、携帯端末装置702では、共振容量405と整流回路406間に負荷変調回路441と検波、復調回路442を付加した構成となっており、電磁誘導方式による送電装置420は、増幅器423と共振容量422間に変復調部444が付加した構成となっている。
In FIG. 9, a portable
図において、非接触通信装置150と携帯端末装置702間の非接触通信は、図8で示した第4の実施例と同様であるため説明を省略し、電磁誘導方式による送電装置420から携帯端末装置702に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
In the figure, the non-contact communication between the
電磁誘導方式による送電装置420では、発振器424からの発振信号を電力増幅器423において電力増幅した送電電力信号を変復調部444において変調し、共振コイル421より送電される。この送電電力を携帯端末装置702の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401により受電する。受電した受電信号は整流回路406により整流され受電を行うとともに、検波、復調回路442により受電した信号を復調し、受信データ信号を制御回路443に入力する。制御回路443では、受信したデータ信号に対応するデータ信号を負荷変調回路441により負荷変調をかける。この負荷変調信号は、電磁誘導方式による送電装置420の変復調部444により復調される。
In the
以上の構成とすることにより、図8で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送においても送電電力信号に対しても変調をかけることにより電力伝送と同時に通信を行うことが可能となるので、たとえば、携帯端末装置702が非接触により電力伝送に対応しているか等の認証や送電電力制御を行う際に必要となる制御のための通信も電力伝送と信号に重畳して行うことが可能となる。
With the above configuration, the same effect as the non-contact charging (power transmission) system shown in FIG. 8 can be obtained, and also modulation can be applied to the transmission power signal in non-contact power transmission. This makes it possible to perform communication simultaneously with power transmission, for example, for the control required when performing authentication and transmission power control such as whether the mobile
図10は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第6の実施例を示した図である。 FIG. 10 is a diagram showing a sixth embodiment of the contactless charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、451はレベル検出回路、452は切り替えおよび電源回路、453、454、455は電界効果トランジスタ、456は整流回路、460は電磁誘導方式による送電装置である。さらに、電磁誘導方式による送電装置460は電磁誘導コイル461、共振容量462、電力増幅器463、発振器464、制御部465、検出部467より構成されており、その他、図8に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
In the figure, 451 is a level detection circuit, 452 is a switching and power supply circuit, 453, 454 and 455 are field effect transistors, 456 is a rectifier circuit, and 460 is an electromagnetic induction type power transmission device. Further, the electromagnetic induction type
図において、携帯端末装置702は、共鳴容量403と共振容量405間にレベル検出回路451および電界効果トランジスタ453を設けるとともに、整流回路406は切り替えおよび電源回路452を介して負荷回路408に接続されている。さらに、負荷コイル402には、電界効果トランジスタ454と整流回路456を介し切り替えおよび電源回路452に接続されている。さらに、電磁誘導方式による送電装置460は、電磁誘導コイル461と並列に共振容量462が接続され、電力増幅器463により増幅された発振回路464からの送電信号周波数と共振する構成となっており、電磁誘導方式による送電装置420と同様の構成であるが、電磁誘導コイル461と共振容量462による共振周波数および発振器464の発振周波数が、非接触通信装置150の共振周波数と等しい13.56MHzとなっている。
In the figure, a portable
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置150から携帯端末装置702に非接触により通信を行う場合について説明する。
In the above non-contact power transmission system, first, a case where non-contact communication is performed from the
携帯端末装置702のレベル検出回路451は、信号を何も受信していない状態では電界効果トランジスタ455をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ453、454をオフ状態とすることで 非接触通信装置150より13.56MHzの非接触通信信号を受信した場合は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401、共鳴容量403および負荷コイル402により構成される磁気共鳴結合により、負荷変調回路410、検波、復調回路414および整流回路412に受信され通信が行われる。
The level detection circuit 451 of the portable
次に、電磁誘導方式による送電装置420からの100kHz帯の非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路451は、電界効果トランジスタ453をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ454、455をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と共振容量405より構成される共振回路により電磁誘導方式により電磁誘導方式による送電装置420からの送電電力を受電し、整流回路406と切り替えおよび電源回路452を介して負荷回路408に電力が供給される。
Next, when the non-contact transmission power in the 100 kHz band is received from the electromagnetic induction
次に、電磁誘導方式による送電装置460から13.56MHzの非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路451は、電界効果トランジスタ454をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ453、455をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401、共鳴容量403および負荷コイル402より構成される磁気共鳴結合により、電磁誘導方式による送電装置460からの送電電力を受電し、整流回路456と切り替えおよび電源回路452を介して負荷回路408に電力が供給される。
Next, when receiving non-contact transmission power of 13.56 MHz from the electromagnetic induction
以上の構成とすることにより、図8で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送については、100kHz帯の送電には電磁誘導による受電を、13.56MHzの電力伝送については磁気共鳴方式による受電を行うことにより、周波数帯が異なる場合でも接触による電力伝送の受電が可能となる。 With the above configuration, the same effect as the non-contact charging (power transmission) system shown in FIG. 8 can be obtained. In addition, with respect to non-contact power transmission, 100 kHz band power transmission is performed by electromagnetic induction. With regard to 13.56 MHz power transmission, power reception by magnetic resonance can be performed, so that power transmission by contact can be received even when the frequency band is different.
図11は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第7の実施例を示した図である。 FIG. 11 is a diagram showing a seventh embodiment of the non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、470は非接触通信部、471は充電制御回路、472はバッテリ、473はハイパスフィルタ、480は非接触通信装置であり、図の非接触通信部470は、切替え回路474、変復調回路475、発振器476、負荷変調回路477、検波復調回路478より構成され、非接触通信装置480は、電磁誘導コイル481、共振容量482、負荷変調回路483、検波、復調回路484、整流回路485、制御回路486、メモリ487より構成されており、その他、図8に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
In the figure, 470 is a non-contact communication unit, 471 is a charge control circuit, 472 is a battery, 473 is a high-pass filter, 480 is a non-contact communication device, and the
図において、携帯端末装置702は、整流回路406の出力に充電制御回路471、バッテリ472が接続され、負荷コイル402はハイパスフィルタ473と切り替え回路474を介して変復調回路475および発振器476が接続される。さらに切り替え回路474には負荷変調回路477と検波、復調回路478が接続されている。
In the figure, a portable
また、非接触通信装置480は、電磁誘導コイル481と並列に共振容量482が接続され、さらに、負荷変調回路483、検波、復調回路484および整流回路485が接続される。
Further, the
図において、電磁誘導方式による送電装置420からの送電電力を受電する場合の動作について説明する。送電装置420より送電された100kHz帯の送電電力信号は、携帯端末装置702の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル401と共振容量405による共振回路により受電し整流回路406および充電制御回路471を介しバッテリ472に充電を行う。
In the figure, the operation in the case of receiving the transmitted power from the
次に、非接触通信装置150から携帯端末装置702に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。非接触通信装置150から送信された非接触通信信号は、磁気共鳴を兼ねた電磁誘導コイル401、共振容量403および負荷コイル402により構成される磁気共鳴方式により受信し、ハイパスフィルタ473を介して切り替え回路474に入力される。切り替え回路474では、信号が入力されない状態では負荷変調回路477側に切り替わるようにしているため、受信した非接触通信信号は検波、復調回路478および負荷変調回路477により変復調されるので非接触通信が可能となる。
Next, an operation in the case of performing non-contact communication from the
次に、非接触通信装置480と通信を行う場合について説明する。非接触通信装置480では発振器は内蔵していないため、例えばRFIDカードのような内部に電源を持たない受動的通信となることから、携帯端末装置702において非接触通信装置480と通信を行いたい場合は、発振器476および変復調回路475をオン状態とするとともに切り替え回路474を変復調回路475側に切り替える。これにより、発振器475からの発振信号を変復調回路475により変調して非接触通信装置480に送信する。非接触通信装置480では受信した携帯端末装置702からの非接触通信信号を検波、復調回路484により復調する。また、非接触通信装置480からの非接触通信信号は負荷変調回路483により負荷変調される。携帯端末装置702では、インピーダンスの変動を変復調回路475より復調することで、非接触通信装置480との通信が可能となる。
Next, a case where communication with the
以上の構成とすることにより、図8で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信装置150は質問器(RFIDにおけるリーダライタ)、非接触通信装置480は応答器(RFIDにおけるRFIDカード)に相当する。また、携帯端末装置702に負荷変調回路477、検波、復調回路478(応答器に相当)に加え変復調回路475、発振器476(質問器に相当)を付加することにより、内部に発振器を持たないRFIDカード等との通信が可能となる。
With the above configuration, the same effect as the non-contact charging (power transmission) system shown in FIG. 8 can be obtained, and the
図12は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第8の実施例を示した図である。 FIG. 12 is a diagram showing an eighth embodiment of the non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、携帯端末装置702は図11の第7の実施例で示した携帯端末装置を2台近接して配置した面であり、互いの装置を区別するためにもう一方の携帯端末装置には図番号に、ダッシュ(’)を付す。
In the figure, a portable
図において、携帯端末装置702より携帯端末装置702’にあるメモリ413’の内容を読み出す場合の動作について説明する。携帯端末装置702では発振器476および変復調回路475をオン状態とするとともに切り替え回路474を変復調回路475側に切り替える。これにより、発振器475からの発振信号を変復調回路475により変調して携帯端末装置702’に送信する。携帯端末装置702’では通常、負荷変調回路477’側に切り替わっているため、受信した携帯端末装置702からの非接触通信信号を検波、復調回路478’により復調し、制御回路414’では受信データに対応したデータ信号をメモリ413’より読み出して負荷変調回路477’により負荷変調を行う。携帯端末装置702では、インピーダンスの変動を変復調回路475より検出して復調し、携帯端末装置702’からの受信データ信号を受信する。
In the figure, the operation when reading the contents of the
以上の構成とすることにより、図11で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、携帯端末装置702に質問器に対応する回路(変復調回路475、発振器476)を付加することにより、携帯端末装置間でも非接触通信が可能となる。
With the above configuration, the same effects as those of the non-contact charging (power transmission) system shown in FIG. 11 can be obtained, and a circuit (modem /
図13は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第9の実施例を示した図である。 FIG. 13 is a diagram showing a ninth embodiment of the non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、501は送電器、502は受電器、503は給電コイル、504は1次側共鳴コイル、505は負荷回路、506は高周波電源であり、その他、図8の第4の実施例に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。 In the figure, 501 is a power transmitter, 502 is a power receiver, 503 is a power supply coil, 504 is a primary resonance coil, 505 is a load circuit, 506 is a high-frequency power source, and the other corresponds to the fourth embodiment of FIG. The same reference numerals are assigned to the parts to be described, and the description is omitted.
図において、送電器501は、高周波電源506と給電コイル503と1次側共鳴コイル504より構成され、給電コイル503に近接して1次側共鳴コイル504が置かれるとともに、給電コイル503に高周波電源506が接続されている。
In the figure, a
受電器502は、負荷コイル505と整流回路406と電源回路407と負荷回路408より構成され、負荷コイル505に整流回路406と電源回路407を介して負荷回路408が接続されており、送電器501と受電器502により非接触電力伝送システムを構成している。
The
図において、高周波電源506からは、1次側共鳴コイル504の自己インダクタとコイルの巻き線間の浮遊容量(寄生容量)により決まる自己共振周波数に等しい周波数で給電コイル503に給電を行う。給電コイル503は電磁誘導作用により自己共振周波数に等しい周波数で1次側共鳴コイル504を励振することで1次側共鳴コイル504には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。
In the figure, the
ここで、1次側共鳴コイルのインダクタンス値をL、線間の浮遊容量をCとするとコイルの自己共振周波数fは次式で求められる。 Here, when the inductance value of the primary resonance coil is L and the stray capacitance between the lines is C, the self-resonance frequency f of the coil can be obtained by the following equation.
f=1/(2π√(LC))
ただし、自己共振周波数は給電コイル503と負荷コイル505との結合状態により共振周波数は変動するため、実際の自己共振周波数はシミュレーションや実験による確認が必要となる。
f = 1 / (2π√ (LC))
However, since the resonance frequency fluctuates depending on the coupling state of the feeding
以上の構成で、受電器502が送電器501に近接して置かれると、1次側共鳴コイル504からの強い磁界が受電器502の負荷コイル505と磁気的に結合し、負荷コイル505の両端子間に起電力が発生する。発生した起電力は整流回路406により直流電圧に整流され、電源回路407に入力される。電源回路407は、整流回路406より出力される電圧が送電電力や1次側共鳴コイル504と負荷コイル505間の距離により共鳴コイルの自己共振周波数のずれやコイル間距離による伝送効率の変化により変動するため、負荷回路408が必要とする一定の電圧値に変換して負荷回路408に供給する。
With the above configuration, when the
以上の構成とすることにより、送電器501からの送電電力を受電器502において磁気的な結合により非接触で受電することが可能であるとともに、受電器502に用いるコイルとしては負荷コイル505のみで受電可能であることから、受信器502の小型化が可能となる。
With the above-described configuration, the power transmitted from the
なお、図13で示したコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、数W程度の小型携帯機器への充電の場合、給電コイル503は直径数cm、巻き数は1ターンから数ターン程度、1次側共鳴コイル504は直径数cm、巻き数は数十ターン程度で自己共振周波数としては、10MHz帯が用いられ、負荷コイル505としては直径数cm、巻き数は1ターンから数ターン程度である。
Note that an example of the generally used size and number of turns of the coil shape shown in FIG. 13 shows that when charging a small portable device of about several W, the
一方、ノート型のパーソナルコンピュータへの給電や充電、電気自動車への充電など数十Wから数百W以上の送電に用いられるコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、給電コイル503は直径数十cm、巻き数は1ターンから数ターン程度、1次側共鳴コイル504は直径数十cm、巻き数は数ターン程度で自己共振周波数は、数百Hzから1MHz程度であり、負荷コイル505は直径数十cm、巻き数は1ターンから数ターン程度である。
On the other hand, an example of a generally used size and number of turns of a coil shape used for power transmission of several tens of watts to several hundreds of watts, such as power supply and charging to a notebook personal computer, charging to an electric vehicle, etc. The feeding
上述の磁気共鳴方式では共鳴コイルの巻き線の抵抗成分による損失が大きいと伝送効率が低下する傾向にあるため、コイルの線材としては直径1mm〜数mm程度の銅線が一般的に用いられているが、導電率が高いものであれば他の線材であってもよい。また、送受のコイルの直径は伝送距離に関係し、直径が大きいほど伝送距離が伸びる傾向にある。また、送受のコイルの直径は互いに等しいほうがより高い効率が得られ易いが、従来の電磁誘導方式よりもコイル間の結合が強いため送受コイルの直径が多少異なっていても比較的高い伝送効率が得られることが磁気共鳴方式の特徴でもある。 In the magnetic resonance method described above, if the loss due to the resistance component of the winding of the resonance coil is large, the transmission efficiency tends to decrease. Therefore, a copper wire having a diameter of about 1 mm to several mm is generally used as the coil wire. However, other wires may be used as long as the conductivity is high. The diameter of the coil for transmission and reception is related to the transmission distance, and the transmission distance tends to increase as the diameter increases. Moreover, higher efficiency is more easily obtained when the diameters of the transmission and reception coils are equal to each other. However, since the coupling between the coils is stronger than that of the conventional electromagnetic induction method, relatively high transmission efficiency is obtained even if the diameters of the transmission and reception coils are slightly different. Obtaining it is also a feature of the magnetic resonance method.
このことから、各コイルの直径は同一であっても異なってもよいし、各コイルは円筒形のコイルであってもスパイラル状の平面コイルであってもよい。さらに、平面コイルは、基板上に銅パターンとして形成してもよいし、フィルム状の上に銅パターンを形成してもよい。 From this, the diameter of each coil may be the same or different, and each coil may be a cylindrical coil or a spiral planar coil. Furthermore, the planar coil may be formed as a copper pattern on the substrate, or may be formed on a film.
次に、本発明の非接触による充電(電力伝送)システムの第10の実施例を図面によって説明する。 Next, a tenth embodiment of the non-contact charging (power transmission) system of the present invention will be described with reference to the drawings.
図14は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムの第10の実施例を示した図である。 FIG. 14 is a diagram showing a tenth embodiment of the non-contact power transmission system used in the present invention.
図において、511は共振を有した負荷コイル、512は共振容量であり、その他、図13に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
In the figure,
図14は、図13で示した非接触による充電システムの第9の実施例と比較して、共振を有した負荷コイル511と共振容量512が直列に接続され直列共振回路を形成しており、その共振周波数が、1次共鳴コイル504の自己共振周波数と等しくなるように、共振を有した負荷コイル511と共振容量512の値を定めている。また、共振を有した負荷コイル511のインダクタンス値は、給電コイル503のインダクタンス値よりも大きくしている。
14, compared with the ninth embodiment of the non-contact charging system shown in FIG. 13, a
以上の構成とすることにより、図13で示した第9の実施例と同様の効果が得られるのに加え、共振を有した負荷コイル511と共振容量512で共振回路を構成しているため、1次共鳴コイル504からの磁束と強く結合するのでコイル間距離を離した場合の伝送効率の低下をより小さくすることができる。言い換えれば、コイル間距離が変動しても入力インピーダンスの変化が少なくなるので、コイル間距離による周波数特性の変動を小さくすることができる。
With the above configuration, the same effect as that of the ninth embodiment shown in FIG. 13 can be obtained, and in addition, a resonance circuit is configured by the
例えば、コイルの直径が数cmの場合の伝送距離は数cm程度、直径数10cmの場合は数10cmから1m程度の伝送距離が得られるので従来の電磁誘導方式の1cmから2cm程度に比べ比較的長い伝送距離を得ることができる。 For example, when the coil diameter is several centimeters, the transmission distance is about several centimeters, and when the diameter is several tens of centimeters, a transmission distance of about several tens of centimeters to 1 meter is obtained. A long transmission distance can be obtained.
図15は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムを有した第11の実施例を示した図である。 FIG. 15 is a diagram showing an eleventh embodiment having a non-contact power transmission system used in the present invention.
図において、521は1次側共鳴コイル、522は共鳴容量、523は励振コイルであり、その他、図14に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。 In the figure, 521 is a primary resonance coil, 522 is a resonance capacitor, 523 is an excitation coil, and the other parts corresponding to those in FIG.
図において、1次側共鳴コイル521のインダクタンス値と共鳴容量522の容量値で決まる共振周波数に等しい信号を高周波電源506より励振コイル523を介して供給すると、共鳴コイル521と共鳴容量522により共振現象が発生し、大きい電流が流れ強い磁界が発生する。この構成では主に数十W以上の高い電力伝送に用いられ、コイルの大きさや巻き数の一般的な一例を示すと、共鳴コイル521の直径は数十cmから1m程度、コイルの線径は1cm程度、ターン数は1から2ターン程度である。また、励振コイルは線径数mm程度であり、共鳴コイル521に数ターン巻きつけるかフェライトコア等の磁性体を用いて励振する方法が一般的である。
In the figure, when a signal equal to the resonance frequency determined by the inductance value of the primary
図15は、図14で示した非接触電力伝送システムの第10の実施例と比較して、給電コイルの代わりに励振コイル523を用いることにより、1次側の共鳴コイルを局所的な電磁誘導により励振して給電を行うもので、第10の実施例と同様の効果が得られる上に、送電側の共鳴コイルが1ターン程度で構成できるので送電器側の小型化も図ることができる。
FIG. 15 shows that the resonance coil on the primary side is locally electromagnetically induced by using the
図16aは、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムを有した第12の実施例を示した図である。 FIG. 16a is a diagram showing a twelfth embodiment having a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、531は1次側の共鳴コイル群であり、スパイラル形状の共鳴コイル531a、531bより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれている。ここで、スパイラル形状の共鳴コイル531a、531bはお互いの自己共振周波数が異なるように構成されており、その他、図14に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
In the figure,
図16aにおいて、受電器502で受電可能な距離内でスパイラル形状の共鳴コイル531aと531bの巻き数をそれぞれ異なる距離で最も効率がよくなるように調整する。例えば、スパイラル形状の共鳴コイル531aが最も効率がよくなる距離を距離a、共鳴コイル531bが最も効率がよくなる距離を距離bとすると、1次側の共鳴コイル531と共振を有した負荷コイル511の距離が距離aのときは、給電コイル503からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル531aを介して共振を有した負荷コイル511に供給され、一方、スパイラル形状の共鳴コイル531bはインピーダンス整合が最適値よりずれることから電力の伝送はほとんど行われない。また、1次側の共鳴コイル531と共振を有した負荷コイル511の距離が距離bのときは、給電コイル503からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル531bを介して共振を有した負荷コイル511に供給される。
In FIG. 16a, the number of turns of the
なお、スパイラル形状の共鳴コイル531a、531bのコイルの巻き線の長さ(巻き数)やコイルの巻き線の線径を変えることで自己共振周波数をそれぞれ変えることが可能である。 Note that the self-resonant frequency can be changed by changing the coil winding length (number of turns) of the spiral-shaped resonance coils 531a and 531b and the coil diameter of the coil winding.
このとき、コイル間の寄生容量は互いの共鳴コイルが並行して巻かれることにより、給電コイルや負荷コイルの影響に加え互いの結合の影響もあるため、自己共振周波数はシミュレーションや実験により求めることが必要である。 At this time, since the parasitic capacitance between the coils is wound in parallel with each other, the self-resonant frequency must be obtained by simulation or experiment because there is an influence of the mutual coupling in addition to the influence of the feeding coil and the load coil. is necessary.
以上の構成とすることにより、図14で示した第10の実施例と同様の効果が得られるのに加え、送電器側においても1次側の共鳴コイル531と共振を有した負荷コイル511とのコイル間距離による周波数特性の変動をより小さくすることができる。
With the above configuration, the same effect as that of the tenth embodiment shown in FIG. 14 can be obtained, and on the power transmitter side, the primary
また、図16bは1次側の共鳴コイル群の531のもう一つの例を示したものである。
FIG. 16 b shows another example of the primary
図において、532は円筒形状の共鳴コイル群であり、円筒形状の共鳴コイル532a、532bより構成され、これらは並行して一定間隔で円筒形状に巻かれており、互いに自己共振周波数が異なっている。なお、円筒形状の共鳴コイル532a、532bのコイルの巻き線の長さ(巻き数)やコイルの巻き線の線径やコイルの内径を変えることにより、それらの自己共振周波数を変えることができる。
In the figure,
これらの図では、コイル群は図では2つの構成であったが3つ以上でもよいし、給電コイルで給電が可能であれば並行に巻かなくともそれぞれ独立であってもよいし、一方がスパイラル状の平面コイルで他方が円筒形状のコイルであってもよい。 In these figures, the coil group has two configurations in the figure, but may be three or more. If power can be supplied by the power supply coil, the coils may be independent of each other without being wound in parallel. A spiral planar coil and the other cylindrical coil may be used.
以上の複数の共鳴コイルを用いた場合の送受コイル間の周波数特性について示したものを図22に示す。図では、図16aで示した1次側の共鳴コイルを自己共振周波数が互いに異なる複数のコイルで構成した場合の1次側給電コイルから2次側負荷コイル間の伝送特性について模式的に示した模式図である。図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。図において自己共振周波数が互いに異なるコイルを共鳴コイルに用いることにより、周波数特性が広がることが分かる。これにより、コイル間距離により周波数特性が変動した場合でも、周波数帯域が広がったことで伝送効率の低下を小さくすることが可能となる。 FIG. 22 shows the frequency characteristics between the transmitting and receiving coils in the case where the plurality of resonance coils are used. In the figure, the transmission characteristic between the primary side feeding coil and the secondary side load coil in the case where the primary side resonance coil shown in FIG. 16a is composed of a plurality of coils having different self-resonance frequencies is schematically shown. It is a schematic diagram. In the figure, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents transmission loss. In the figure, it can be seen that the use of coils having different self-resonance frequencies for the resonance coil broadens the frequency characteristics. Thereby, even when the frequency characteristic fluctuates due to the distance between the coils, it is possible to reduce the decrease in transmission efficiency due to the widened frequency band.
図17は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第13の実施例を示した図である。 FIG. 17 is a diagram showing a thirteenth embodiment of a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、542はレベル検出回路、543は制御回路、541は電界効果トランジスタであり、その他、図14で示した非接触での電力伝送システムの第10の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。 In the figure, 542 is a level detection circuit, 543 is a control circuit, 541 is a field effect transistor, and other parts corresponding to the tenth embodiment of the non-contact power transmission system shown in FIG. The description is omitted.
図は、図14で示した第10の実施例と比較して、共振容量512の両端には電界効果トランジスタ541のドレインとソースが接続される。さらに、整流回路406で整流された直流出力の一部をレベル検出542により検出し、制御回路543に出力するとともに、制御回路543は電源回路407より整流された電源電圧の一部を電源に用いて電界効果トランジスタ541のゲートを制御する構成である。
Compared with the tenth embodiment shown in FIG. 14, the drain and the source of the
以上の構成において、電界効果トランジスタ541がオフ状態のときは、1次側共鳴コイル504で発生した磁界は、共振を有した負荷コイル511と共振容量512で構成される共振回路と強く結合し、これらの共振回路を通して整流回路406に受信電流が流れる。このとき、制御回路543は電界効果トランジスタ541をオン状態にすると、共振容量512の両端がショート状態となるため、共振を有した負荷コイル511は共振点がなくなる。このため、1次側共鳴コイル504で発生した磁界は、負荷コイル511により2次側では共振を伴わない電磁誘導により整流回路406に受信電力を供給する。制御回路543は、定期的に電界効果トランジスタ541をオンオフすることで、整流回路406から出力される整流電圧を比較し、より受信電力の高いほうに切り替える動作を行う。
In the above configuration, when the
負荷コイル511と共振容量512による共振状態での受電は、1次側共鳴コイル504と負荷コイル511との距離がある程度離れたとき伝送効率が最も高くなり、逆にコイル間距離が数mm以下のごく近距離になるとインピーダンスの変動により伝送効率がかえって低下する。これに対し、負荷コイル511のみの受電では、受電側は共振回路を持たず、ごく近距離では電磁誘導伝送となるため、受電側は共振回路を持たないほうが伝送効率は高くなる。これは、給電コイルと共鳴コイルの結合と共鳴コイルと負荷コイルとの結合が同じ電磁誘導による伝送と見なせるためである。このため、コイル間距離がある程度離れている場合は、電界効果トランジスタ541をオフ状態にし、ごく近距離では、電界効果トランジスタ541をオン状態にして受電側に共振回路を持たない構成とすることにより、図14で示した実施例10と同様の効果が得られる上に、コイル間距離がごく近距離であっても伝送効率の劣化が小さい非接触電力伝送システムを得ることができる。
The power reception in the resonance state by the
また、図23に負荷コイルと直列に接続した共振容量を電界効果トランジスタによりオンオフすることの効果を模式的に示した模式図を示す。図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送損失である。図において、電界効果トランジスタをオン状態とした場合、負荷コイルは共振周波数を持たず電磁誘導による伝送となるため、コイル間距離が大きくなると急激に損失が増加する。一方、電界効果トランジスタをオフ状態とした場合、負荷コイルは共振容量により直列共振回路となるため、コイル間距離がある程度離れても伝送損失の増加は小さいが、ごく近距離になるとかえって伝送効率が低下する。このため、ごく近距離では電界効果トランジスタをオン状態として負荷コイルに共振回路を持たないようにすれば、近距離での伝送効率の低下を抑えることができることが分かる。 FIG. 23 is a schematic diagram schematically showing the effect of turning on and off the resonance capacitor connected in series with the load coil by the field effect transistor. In the figure, the horizontal axis represents the distance between the coils, and the vertical axis represents the transmission loss. In the figure, when the field effect transistor is turned on, the load coil does not have a resonance frequency and transmission is performed by electromagnetic induction. Therefore, the loss increases rapidly as the distance between the coils increases. On the other hand, when the field effect transistor is turned off, the load coil becomes a series resonance circuit due to the resonance capacitance, so the increase in transmission loss is small even if the distance between the coils is some distance away, but the transmission efficiency is rather low when the distance is very short. descend. Therefore, it can be seen that if the field effect transistor is turned on at a very short distance so that the load coil does not have a resonance circuit, a decrease in transmission efficiency at a short distance can be suppressed.
図18は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムを有した第14の実施例を示した図である。 FIG. 18 is a diagram showing a fourteenth embodiment having a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、551a、551b、551cは電界効果トランジスタ、552a、552b、552cは共振容量、553は共鳴容量であり、図17で示した第13の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。 In the figure, 551a, 551b, and 551c are field effect transistors, 552a, 552b, and 552c are resonance capacitors, 553 is a resonance capacitor, and parts corresponding to the thirteenth embodiment shown in FIG. Description is omitted.
図において、図17で示した第13の実施例と比較して、1次側共鳴コイルと並列に共鳴容量553が接続され、共振を有した負荷コイル511には、電界効果トランジスタ551a、551b、551cと共振容量552a、552b、552cがそれぞれ直列接続されたものが並列に接続されている。
In the figure, compared to the thirteenth embodiment shown in FIG. 17, a
給電コイル503からは主に1次側共鳴コイル504のインダクタンス値と共鳴容量553により決まる自己共振周波数で電力を給電する。1次側共鳴コイル504は共鳴容量553との自己共振周波数で給電されるため、これら共振回路には大きな電流が流れ、強い磁界が発生する。このとき、1次側共鳴コイル504と並列に共鳴容量553が接続されているため、同一の共振周波数で比較した場合、共振容量がない場合に比べ、1次側共鳴コイル504のインダクタンス値を小さくできるので、送電器501の形状を小さくすることができる。
Electric power is supplied from the feeding
一方、電界効果トランジスタ551a、551b、551cと直列に接続されている共振容量552a、552b、552cは、共振を有した負荷コイル511とそれぞれ並列共振回路を構成するとともに、それぞれの容量は共振周波数が異なるような容量値となっている。このため、1次側共鳴コイル504と共振を有した負荷コイル511とのコイル間距離により伝送効率が最も高くなる容量値を選択する構成となっている。
On the other hand, the
以上の構成において、最適な容量値を選択する手段の一例を以下説明する。 An example of means for selecting an optimum capacitance value in the above configuration will be described below.
1次側共鳴コイル504からの磁界を共振を有した負荷コイル511により受信する場合、制御回路543は最もコイル間距離が遠いときに伝送効率が高くなる共振容量に対応する電界効果トランジスタをオン状態にしておく。そして、電力の受電が開始された場合、制御回路543は定期的に他のオフ状態となっている電界効果トランジスタをオン状態にして、そのときの受電電力をレベル検出542により検出する。そして最も受電電力の大きい共振容量を選択することで、高い伝送効率で受電が可能となる。このとき、制御回路543は定期的に受電電力をレベル検出542より検出して最も伝送効率の高い電界効果トランジスタを選択しオン状態とする。
When the magnetic field from the primary
以上の構成では、図17で示した第13の実施例と同様の効果が得られる上に、共振容量を複数設け電界効果トランジスタを用いて切り替えることでコイル間距離により電力の伝送効率の更なる最適化が可能となる。 With the above configuration, the same effects as those of the thirteenth embodiment shown in FIG. 17 can be obtained, and a plurality of resonance capacitors are provided and switched using field effect transistors, thereby further improving the power transmission efficiency depending on the distance between the coils. Optimization is possible.
コイル間距離が近い場合(直径数cmのコイルの場合、1cm程度以下)、共鳴コイル504のコイルの巻き線と負荷コイル511のコイルの巻き線の間にも寄生容量が存在するため、コイル間距離が近い場合、共鳴コイルと負荷コイル間の容量が増えることで共鳴コイルの自己共振周波数も下がる。この場合、送電周波数が一定のときは、距離が近づくほど逆に負荷コイルの共振容量を小さくして負荷コイルと共振容量による共振周波数を上げることで、共鳴コイルの自己共振周波数が下がるのを抑えることができるので、コイル間距離による伝送効率の変動を抑えることができる。
When the distance between the coils is short (in the case of a coil having a diameter of several centimeters, about 1 cm or less), there is a parasitic capacitance between the coil winding of the
図19は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムを有した第15の実施例を示した図である。 FIG. 19 is a diagram showing a fifteenth embodiment having a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、送電装置610は給電コイル611、スパイラル形状の1次側共鳴コイル612、変復調回路613、可変利得電力増幅器614、発振器615、制御回路616より構成され、その他、図17の非接触による電力伝送システムの第13の実施例に対応する部分は同一符号を付し説明を省略する。
In the figure, the
図のスパイラル形状の1次共鳴コイル612は平面上に巻かれたコイルであり円筒形の立体コイルと同様コイルの巻き線間の寄生容量による自己共振周波数が存在し、その共振周波数は円筒形コイルと同様に求めるられる。
The spiral-shaped
また、携帯端末装置702には、共振を有した負荷コイル511と整流回路406の間に負荷変調回路441、検波、復調回路442が付加されており、送電装置610は高周波電源615に可変利得電力増幅器614と変復調回路613を介して給電コイル611に接続される。
In addition, a
以上の構成では、送電装置610から携帯端末装置702に非接触で電力を伝送するとともに、電力伝送の際に必要となる送電装置610と携帯端末装置702間の認証や送電電力制御を行う上で必要とされる通信手段を有するものである。
In the above configuration, power is transmitted from the
まずは、送電装置610から携帯端末装置702に非接触で電力を伝送する動作について説明する。
First, an operation of transmitting power from the
1次側共鳴コイル612の自己共振周波数に等しい周波数で高周波電源615から出力される信号は利得可変電力増幅器614により増幅され変復調回路613を介し給電コイル611に給電される。給電された送電信号は1次側共鳴コイル612の自己共振周波数に等しい周波数であるため、1次側共鳴コイル612からは強い磁界が発生する。
A signal output from the high
一方、共振を有した給電コイル511は共振容量512との共振により、1次側共鳴コイル612からの磁界と強く結合するため、効率よく電力を受電し、負荷変調回路441、検波、復調回路442を介し整流回路406により整流し、電源回路407を介して負荷回路408に供給する。また、制御回路543はレベル検出542の値を参考に電界効果トランジスタ541をオンあるはオフして受電電力がより大きいほうに切り替わる動作を行う。
On the other hand, the
次に非接触で通信を行う場合の動作について、まずは送電装置610から携帯端末装置702にデータを伝送する場合について説明する。
Next, the operation in the case of performing contactless communication will be described first in the case where data is transmitted from the
図において、利得可変電力増幅器614からの送電信号にASK変調等の変調をかけて給電コイル611に給電する。給電された送電信号は、1次側共鳴コイル612より強い磁界を発生し、共振を有した負荷コイル511と共振容量512により効率よく受信され、負荷変調回路441を介し検波、復調回路442に入力される。入力された送電信号はダイオード等を用いた検波回路により復調され制御回路502に入力される。また、受電電力は整流回路406により整流され、電源回路407により負荷回路408に供給される。
In the figure, the power transmission signal from the variable
次に、携帯端末装置702から受電装置610にデータを伝送する場合について説明する。
Next, a case where data is transmitted from the mobile
通信を行う場合、携帯端末装置702は送電装置610より電力を受電していることから、負荷変調回路441にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路441では、この点におけるインピーダンスを変調信号に対応して変えると磁気的に結合している送電装置610側のインピーダンスも影響を受けて変化する(負荷変調方式)。よって、変復調回路613においてダイオード検波等により、送電信号が負荷変調回路441の負荷変動により発生する送電電力の反射で復調された信号を取り出すことができるので通信が可能となる。
When performing communication, since the mobile
以上の構成では、図17の非接触による電力伝送システムの第13の実施例と同様の効果が得られる上に簡易な構成で通信が可能な通信手段を有した非接触電力伝送システムを得ることができる。 With the above configuration, it is possible to obtain a non-contact power transmission system having communication means capable of communicating with a simple configuration while obtaining the same effect as the thirteenth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. Can do.
図20は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムを有した第16の実施例を示した図である。 FIG. 20 is a diagram showing a sixteenth embodiment having a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、631は1次側の共鳴コイル群、632は給電コイルであり、1次側の共鳴コイル群631は、スパイラル形状の共鳴コイル631a、631bにより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれており、その他、図18の非接触電力伝送システムの第14の実施例および図19の非接触電力伝送システムの第15の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
In the figure, 631 is a primary side resonance coil group, 632 is a power supply coil, and the primary side
図において、送電装置610の1次側共鳴コイルにスパイラル形状の共鳴コイル631aと631bの複数のコイルを用いるとともに、互いの自己共振周波数が異なるようにコイルの巻き数等を変えた構成としている。さらに、1次側共鳴コイル群631と給電コイル632の位置的構成を変えており、1次側共鳴コイル群631と共振を有した負荷コイル511間距離よりも給電コイル632と共振を有した負荷コイル511間距離のほうが近くなるようにした。
In the figure, a
以上の構成とすることにより、図16aの非接触電力伝送システムの第12の実施例、図18の非接触電力伝送システムの第14の実施例および図19の非接触電力伝送システムの第15の実施例と同様の効果が得られる上に、1次側共鳴コイル群631と共振を有した負荷コイル511との距離よりも給電コイル632と共振を有した負荷コイル511との距離のほうが近くなるようすることで、給電コイル632と共振を有した負荷コイル511とのコイル間距離がごく近い場合、1次側共鳴コイル群631を介した磁気共鳴伝送よりも、給電コイル632から共振を有した負荷コイル511に電磁誘導により直接伝送することが可能であるため、ごく近距離での伝送効率の低下を抑えることができる。
With the above configuration, the twelfth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. 16a, the fourteenth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. 18 and the fifteenth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. In addition to the same effects as the embodiment, the distance between the feeding
以上の構成では、コイル間距離が近くなると共鳴コイルの共振周波数は負荷コイルが近づくことにより等価的な寄生容量が増えるため共振周波数が下がるので送電周波数が一定のとき伝送効率が下がってしまう。この場合、共鳴コイルと給電コイルの配置を変えることにより給電コイルと負荷コイルの距離が近くなるとともに、共鳴コイルがこれらの間に入らなくなるため給電コイルと負荷コイル間で電磁誘導による結合が強くなる。このとき、コイル間距離が遠い場合は電磁誘導による伝送は小さいがコイル間距離がごく近い場合、共鳴コイルの共振周波数は低いほうにずれてしまうが給電コイルと負荷コイル間の電磁誘導による伝送が大きくなるので、コイル間距離がごく近い場合の伝送効率の低下が抑えられる。 With the above configuration, when the inter-coil distance is reduced, the resonance frequency of the resonance coil is increased due to the proximity of the load coil, so that the resonance frequency is lowered. Therefore, the transmission efficiency is lowered when the transmission frequency is constant. In this case, by changing the arrangement of the resonance coil and the power supply coil, the distance between the power supply coil and the load coil is reduced, and the resonance coil does not enter between them, so that coupling between the power supply coil and the load coil is enhanced by electromagnetic induction. . At this time, when the distance between the coils is long, the transmission by electromagnetic induction is small, but when the distance between the coils is very short, the resonance frequency of the resonance coil shifts to the lower side, but the transmission by electromagnetic induction between the feeding coil and the load coil is not. Since it becomes large, a decrease in transmission efficiency when the distance between the coils is very short can be suppressed.
図21は、本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムを有した第17の実施例を示した図である。 FIG. 21 is a diagram showing a seventeenth embodiment having a non-contact charging (power transmission) system used in the present invention.
図において、641、651はアンテナ、642は負荷変調回路、643は検波、復調回路、652は変復調回路、653は発振回路であり、図19の非接触電力伝送システムの第15の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。 In the figure, 641 and 651 are antennas, 642 is a load modulation circuit, 643 is a detection and demodulation circuit, 652 is a modulation / demodulation circuit, and 653 is an oscillation circuit, which corresponds to the fifteenth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. The same reference numerals are assigned to the parts to be described, and the description is omitted.
図の送電装置610には発振回路653が変復調回路652を介しアンテナ651に接続され、携帯端末装置702はアンテナ641が負荷変調回路642を介し検波、復調回路643に接続されている。
An
以上の構成において、送電装置610と携帯端末装置702間で通信を行う動作について説明する。なお、電力の伝送動作については説明を省略する。
An operation of performing communication between the
図において、発振回路653からの送信信号に変復調回路652において、ASK変調等の変調をかけアンテナ651に給電する。給電された送信信号はアンテナ651により電磁波あるいは磁気的にエネルギーとして放射される。放射された送信信号はアンテナ641により受信され負荷変調回路642を介し検波、復調回路643に入力される。入力された送信信号はダイオード検波等の検波回路により復調され制御回路604に入力される。
In the figure, the modulation /
次に、携帯端末装置702から送電装置610にデータを伝送する場合について説明する。携帯端末装置702は送電装置610により信号を受信している状態のときに通信を行う場合を考えると、負荷変調回路642にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路642では、この点における負荷を変動させることで変調を行う負荷変調方式を用いる構成とした。
Next, a case where data is transmitted from the mobile
以上の構成では、図19の非接触電力伝送システムの第15の実施例と同様の効果が得られる上に電力伝送と異なる周波数で通信が行えることから、より高速に通信を行うことも可能となるので、認証や送信電力制御等の電力伝送に必要な制御データのほかに他のデータも伝送することが可能となる。
With the above configuration, the same effect as that of the fifteenth embodiment of the non-contact power transmission system of FIG. 19 can be obtained, and communication can be performed at a frequency different from that of power transmission, so that communication can be performed at higher speed. Therefore, other data can be transmitted in addition to control data necessary for power transmission such as authentication and transmission power control.
101、141、504,521、612…磁気共鳴コイル、102、402、505…負荷コイル、103、154、221、312、…非接触データ通信部、104…充電制御部、105、472…バッテリ、106…端末無線通信部、107…検知出力部、101、210…切り替えスイッチ、111、112,211…減衰抵抗、121、122、123、124、125、126、127、128…整流用ダイオード、130,131…平滑用容量、140、220、310、420、460、610、701…送電装置、142…給電コイル、143…増幅部、144、153、424、464、476、615…発振器、145、425、465…制御部、146…検出部、151、401、421、461、481…電磁誘導コイル、152、301、302、405、422、462、482、512、552a、552b、552c、…共振容量、311…合成器、313…フィルタ、711…送電制御モジュール、712…非接触型送電モジュール、713…非接触型処理モジュール、720…大容量蓄電モジュール、721…受電制御モジュール、722…充電のための非接触型受電モジュール、723…非接触型処理モジュール、150、460、480…非接触通信装置、403、553、738,739…共鳴容量、404…ローパスフィルタ、406、412、456、485…整流回路、407…電源回路、408…負荷回路、409、473…ハイパスフィルタ、410、441、477、483、642…負荷変調回路、411、442、478…検波、復調回路、413、487、…メモリ、414、443、486、543、616…制御回路、430、475、613、652…変復調回路、153…発振器、453、454、455、541、521a、521b、521c、551a、551b、551c…電界効果トランジスタ、452…切り替えおよび電源回路、471…充電制御回路、501…送電器、502…受電器、505、511…負荷コイル、506…高周波電源、523…励振コイル、531、532、631…共鳴コイル群、542…レベル検出回路、614…可変利得電力増幅器、641、651…アンテナ
101, 141, 504, 521, 612 ... magnetic resonance coil, 102, 402, 505 ... load coil, 103, 154, 221, 312 ... non-contact data communication unit, 104 ... charge control unit, 105, 472 ... battery, 106: terminal wireless communication unit, 107: detection output unit, 101, 210 ... changeover switch, 111, 112, 211 ... attenuation resistor, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 ... rectifying diode, 130 131, smoothing capacitors, 140, 220, 310, 420, 460, 610, 701 ... power transmission device, 142 ... feeding coil, 143 ... amplifying unit, 144, 153, 424, 464, 476, 615 ... oscillator, 145, 425, 465 ... control unit, 146 ... detection unit, 151, 401, 421, 461, 481 ... electromagnetic induction Coil, 152, 301, 302, 405, 422, 462, 482, 512, 552a, 552b, 552c, ... resonance capacity, 311 ... combiner, 313 ... filter, 711 ... power transmission control module, 712 ... non-contact power transmission module , 713 ... Non-contact processing module, 720 ... Large-capacity storage module, 721 ... Power reception control module, 722 ... Non-contact power reception module for charging, 723 ... Non-contact processing module, 150, 460, 480 ...
Claims (2)
前記給電コイルと前記磁気共鳴コイルの結合と、前記磁気共鳴コイルと前記負荷コイルの結合とは、磁気的結合を利用して非接触で電力を伝送し、
前記磁気共鳴コイルと並列に共鳴容量を接続し、前記磁気共鳴コイルのインダクタンスと前記共鳴容量で決まる共振周波数で電力を給電し、
前記2次側コイルの前記負荷コイルに対して、直列接続又は並列接続により前記負荷コイルのインダクタンスと共振する共振容量を接続して共振回路を形成し、
前記磁気共鳴コイル及び前記共鳴容量による1次側共振回路と前記負荷コイル及び共振容量による2次側共振回路との共振周波数を同一となるように構成し、
前記負荷コイルの巻き数を前記磁気共鳴コイルの巻き数よりも少なくすることで、前記負荷コイルのインダクタンス値を前記磁気共鳴コイルのインダクタンス値よりも小さくするとともに、前記負荷コイルの巻き数を前記給電コイルの巻き数よりも多くして、前記負荷コイルのインダクタンス値を前記給電コイルのインダクタンス値よりも大きくし、
前記負荷コイルは整流回路に接続され、前記1次側コイルから伝送された電力を整流回路に供給する
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。 A primary side coil including a power supply coil and a magnetic resonance coil and a secondary side coil including a load coil are provided. Electric power is supplied from the power supply coil at a resonance frequency of the magnetic resonance coil, and is supplied from the primary coil. A non-contact power transmission system for non-contact transmitting power to the load coil of the secondary coil,
The coupling between the feeding coil and the magnetic resonance coil, and the coupling between the magnetic resonance coil and the load coil transmit power in a non-contact manner using magnetic coupling,
Connecting a resonance capacitor in parallel with the magnetic resonance coil, supplying power at a resonance frequency determined by the inductance of the magnetic resonance coil and the resonance capacitance,
A resonance circuit is formed by connecting a resonance capacitor that resonates with the inductance of the load coil by serial connection or parallel connection to the load coil of the secondary coil,
The primary resonance circuit by the magnetic resonance coil and the resonance capacitor and the secondary resonance circuit by the load coil and the resonance capacitor are configured to have the same resonance frequency,
By making the number of turns of the load coil smaller than the number of turns of the magnetic resonance coil, the inductance value of the load coil is made smaller than the inductance value of the magnetic resonance coil, and the number of turns of the load coil is set to the power supply. More than the number of turns of the coil, the inductance value of the load coil is larger than the inductance value of the feeding coil,
The load coil is connected to a rectifier circuit, and supplies power transmitted from the primary coil to the rectifier circuit.
前記2次側コイルの前記負荷コイルに共振する共振容量が直列に接続された場合は、前記共振容量と並列にスイッチ素子を付加し、前記2次側コイルの前記負荷コイルに共振する共振容量が並列に接続された場合は、前記共振容量と直列にスイッチ素子を付加し、
前記スイッチ素子をオンした場合とオフした場合とで受信電力を比較して受信電力が大きい方にスイッチ素子を切り替えて電力を伝送する
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。 The contactless power transmission system according to claim 1,
When a resonant capacitor that resonates with the load coil of the secondary coil is connected in series, a switching element is added in parallel with the resonant capacitor, and the resonant capacitor that resonates with the load coil of the secondary coil When connected in parallel, a switch element is added in series with the resonant capacitor,
A contactless power transmission system, wherein received power is compared between when the switch element is turned on and when the switch element is turned off, and the switch element is switched to the one with higher received power to transmit power.
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